在建地铁工程隧道施工照明情况的调查与研究

高 墅

(1.北京安捷工程咨询有限公司, 北京 100037;2.大连理工大学 管理与经济学部, 辽宁 大连 116024)

0 引 言

我国现阶段在建隧道数量多,规模大,但隧道长度越长,断面越大,隧道施工照明存在的问题越突出。因此,有效地提高隧道照明和降低照明功耗,是目前亟待解决的问题,也是响应国家号召,开展节能减排工作的体现。

1 隧道施工照明的必要性

1.1 隧道施工环境

(1) 工序。传统矿山法隧道主要分为2类,钻爆法和新奥法,施工循环为:测量放线—钻眼—爆破—出渣—清理轮廓—二次出渣—施工拱架及小导管锚杆—及喷射混凝土。

(2) 工艺。其中涉及:渣土外运、初支材料内运水平运输,垂直运输(可能涉及),爆破,测量、人工钻孔、焊接、喷射混凝土的工艺。

(3) 作业位置。主要作业位置可分为:上台阶掌子面、下台阶仰拱、洞内水平运输通道、人行通道、临时联络通道、洞门、竖井或斜井(可能涉及)。

(4) 施工分为作业段、成洞段(此处有成文定义)。

(5) 环境风险因素分类:普通、特殊地质段(瓦斯、沼气等)。

1.2 规范要求

(1) GB 50299—1999(2003版)《地下铁道工程施工及验收规范》[1]规定:施工区域内不得大于36 V,成洞和非施工区以外地段可用220 V;照明和动力电线(缆)安装在隧道同一侧时,应分层架设,电缆悬挂高度距地面不应小于2 m[1]。

(2) TB 10304—2009《铁路隧道工程施工安全技术规程》[2]规定:施工机械作业场所应有必要的照明,光照度不得小于50 lx;作业段照明电压不得大于36 V,成洞地段照明电压可采用220 V;采用普通光源照明时,光照度应满足表1的要求,不安全因素较大的地段应加大光照度[2]。隧道施工照明要求如表1所示。

表1 隧道施工照明要求

(3) GB 50417—2017《煤矿井下供配电设计规范》[3]对煤矿井下照明做如下要求。

① 井下固定照明照度。井下固定照明照度参考标准如表2所示。

表2 井下固定照明照度参考标准

② 照度最小均匀系数。照度最小均匀系数(照度最低均匀度)是最小照度与最大照度之比。井下固定照明的最小均匀系数如表3所示。

(4) 应急照明。以上规范中均未对应急照明提出要求,仅TB 10304—2009要求“隧道施工用电应按设计要求设置双电源或自备电源。自备发电机组与外电源线路必须电源联锁,严禁并列运行”。GB 50034—2013《建筑照明设计标准》[4]规定,疏散照明地面平均水平照度值在水平疏散通道不应低于1 lx,垂直疏散区域不应低于5 lx。

表3 井下固定照明的最小均匀系数

1.3 安全隐患

(1) 隧道施工照明光照度较低的环境,严重影响驾驶员观察隧道内的路况,或影响人员通行效率及安全。

(2) 隧道内外光线差别太大,会引起短暂的眩光,引起不舒适感觉或降低观察目标的能力。

(3) 光照度较低的工作环境下,作业人员不易集中注意力,易造成困乏。

2 隧道作业照明的选取依据

2.1 规范关于光照的几项定义

光照强度(简称照度)是指单位面积上所接受可见光的光通量,即E=dΦ/dS,夏天明朗的室内,光照强度为100～550 lx,夜间满月下,光照强度为0.2 lx。在不考虑介质的影响下,辐射功率一定的普通点光源(除激光)在不同距离上单位面积的照度与距离的平方成正比。

GB/T 5700—2008《照明测量方法》[5]中定义照度均匀度为“表面上的最小照度与最大照度之比,符号U1;也用最小照度与平均照度之比,符号U2”。

GB/T 5700—2008中定义人行道的照明测量地面水平照度和1.5m高度上的垂直照度。

2.2 隧道光照度测量点选取

依据GB/T 5700—2008中的中心布点法,选取施工作业面为地面上1.0 m位置的水平照度(a点)和垂直照度(b点);人员通道照明,分别选择地面水平照度(c点)、1.5 m高度上的垂直照度(d点);车辆运输通道取地面水平照度(e点);竖井位置取地面水平照度(f点)。

矿山法隧道测量示意如图1所示。

图1 矿山法隧道测量示意

盾构法隧道测量示意如图2所示。

图2 盾构法隧道测量示意

本文分别选取隧道纵断面、横断面特征点进行测量,测出典型值,选点位置见图1。

3 隧道作业照明的统计结果及问题

对在建矿山法施工的隧道工程进行调查、试验,发现主要存在以下问题。

3.1 对规范的理解、重视不足

在施工过程中对规范的掌握不够,同时对于36 V、220 V两种照明电压布置繁琐,多数施工项目按整条隧道全部采用36 V低压照明。

3.2 隧道照明现状

现阶段,隧道施工照明主要采用3种方式:荧光灯管、LED灯泡、LED灯带及组合形式,因LED发光效率高,逐渐以LED灯泡居多,而应急照明灯具也以LED为光源居多。

2种形式的LED灯泡及应急灯如图3所示。

图3 2种形式的LED灯泡及应急灯

采用LED灯带及LED灯泡组合照明如图4所示。

图4 采用LED灯带及LED灯泡组合照明

3.3 隧道工程现场存在的问题

对在建隧道施工阶段的统计,选取开挖面、其他工作面、运输通道、人员通道、成洞地段等典型位置的规定工作面,测量原始照度值,计算出最小照度、最大照度、平均照度、照度均匀度(U1、U2)等指标,并对比分析。

某矿山法地铁隧道36 V LED灯泡统计数据如表4所示。

对调查的隧道照明情况进行汇总,并统计几组典型的隧道照明案例,隧道施工照明主要存在以下问题。

(1) 单位功率不足。隧道内各环境位置单位面积照明安装功率值较低,使用36 V低压照明的隧道在运输通道、人员通道位置单位功率不足0.5 W/m2。

(2) 平均照度严重不足。隧道内各环境位置平均照度严重不足,甚至达不到TB 10304—2009规范要求的1/3,具体表现在:照明线路、灯具普遍设置在靠人行通道一侧;单个光源间隔布置的中间位置、人行通道,在照明灯泡下方地面照度不足10 lx,两个照明灯泡中间位置的照度不足1 lx,严重低于规范要求;车辆运输通道光照度较人行通道的更低。

表4 某矿山法地铁隧道36 V LED灯泡统计数据

注:单位功率为单位面积照明安装功率。

(3) 隧道内照度均匀度较差。参照国家标准GB 50417—2007,隧道内照明均匀度不足标准要求的1/4。

① 单个光源间隔布置,沿隧道纵向照明均匀性相差较大,亮部、暗部光照强度比值可达几十倍。

② 沿隧道横断面,照明亮部与照明暗部相差情况主要受发光源及照射角度影响,普通单洞铁路、地铁隧道远离照明一侧光照度较低,仅0.4～3.0 lx。

(4) 运输通道及人员通道照度值过低。运输通道及人员通道照度值过低,相比于掌子面等施工要求高的位置,非作业面位置往往被忽视。

(5) 其他问题。个别隧道照明采用单个光源照明,当光源采购不当时存在眩光问题;隧道爆破施工易造成掌子面照明跟进不及时。

照明均匀度差情况如图5所示。

图5 照明均匀度差情况

眩光现象如图6所示。

图6 眩光现象

人员通道照明不足情况如图7所示。

图7 人员通道照明不足情况

3.4 隧道施工应急照明问题

(1) 部分隧道未安装应急照明系统。

(2) 应急工作时间不达标,有些应急灯具的应急工作时间仅能供电5 min,小于标准(不得低于30 min)的要求。

(3) 应急照明光照度不足,市场上销售的应急照明灯光照强度普遍较低,无法达到正常使用效果。

(4) 应急照明安装间距过大,2盏应急照明灯中间位置无法达到应急照明照度要求。

4 隧道施工照明建议及注意事项

4.1 照明简化计算

以常规LED灯泡为例,假设仅考虑光源在照射范围内各角度发光相同,不考虑墙壁的反射以及灰尘的折射与反射;将光线简化为直线与入射角θ。可知,同一束光线光照度E=E0/l2,其中E0为单位长度距离位置的光照度,l为距离。

简化模型:2盏灯安装在距地面2 m高处,灯间距为6 m,当考虑2个光源和入射角时,建立坐标系(x,y,z),其中x沿隧道横向,y沿隧道纵向,xz平面为灯所安装的立面,其中a灯坐标为(0,0,2),b灯坐标为(0,6,2),取a灯下垂直1 m处为1单位光照度,计算出地面上坐标(x,y,0)点光照度E=2(x2+y2+22)-3/2,可见地面上光照度约与x、y的3次幂成反比,可见光照度衰减之巨大。通过计算可知,(0,0,0)处光照度为0.251,(1,1,0)处光照度为0.148,(5,3,0)仅为0.017,即远离照明灯一侧5 m位置的光照度仅为灯具正下方光照度的6.78%。光照度与距离的关系如图8所示。由此可见,断面较大的隧道单侧照明衰减较为严重。

图8 光照度与距离的关系

4.2 照明形式选择

通过以上计算,可以得出如下结论:

(1) 从光照度和光照均匀度两方面考虑,LED灯带是最好的选择,可较好地改善均匀度,这是其他单个灯泡所不能满足的。

(2) 隧道断面较小的情况下,可考虑照明安装在一侧,大跨度断面隧道可考虑在两侧或隧道顶部。

(3) 如选用单个灯泡,应根据需要合理选择间距。

(4) 从节能角度出发,隧道应分区进行施工照明设计,按照规范要求,重点部位要加强照明,普通部位要满足生产需要。

4.3 灯具选用

成洞段选用220 V照明电压和LED灯带,前方施工段采用24/36 V的LED灯带或LED灯泡。220 V电源接着掌子面后100 m连接变压器,降至24 V或36 V,连接36 V的LED恒流驱动电源(输出功率可达100 W)带动36 V的LED灯带(一般6～8 W,部分产品可达12 W/m),按隧道宽度计算,可满足1 W/m2。

采用低压LED灯带照明的隧道如图9所示。

图9 采用低压LED灯带照明的隧道

4.4 应急照明及其他注意事项

(1) 富含甲烷、沼气等易燃易爆等其他特殊环境,应注意所用灯具的密封性及散热性,灯具表面温度低于其最小点燃温度或引燃温度。

(2) 施工照明尽量采用节能新光源,虽然采购成本高,但隧道需要全天照明,后期使用成本较低。

(3) 灯具安装时应调整好照射角度,确保光源发挥效用。

(4) 依据灯具功率负荷,合理选用变压器及稳压器,可有效延长灯具使用寿命。

(5) 成洞地段施工照明应尽量采用节能新光源,可提高电源的转换效率。

5 结 语

调查了现阶段隧道施工期间洞内照明情况,并结合简易计算,给出隧道施工照明设计的建议及注意事项,以便有效地提高隧道照明效果,降低照明成本。

[1]地下铁道工程施工及验收规范:GB50299—1999(2003版)[S].

[2]铁路隧道工程施工安全技术规程:TB10304—2009[S].

[3]煤矿井下供配电设计规范:GB50417—2017[S].

[4]建筑照明设计标准:GB50034—2013[S].

[5]照明测量方法:GB/T5700—2008[S].